EtherCAT ( Ethernet для технологии автоматизации управления ) — это система полевой шины на базе Ethernet , разработанная компанией Beckhoff Automation. Протокол стандартизирован в IEC 61158 и подходит как для жестких, так и для мягких вычислений в реальном времени в технологиях автоматизации.
Целью разработки EtherCAT было применение Ethernet для приложений автоматизации, требующих короткого времени обновления данных (также называемого временем цикла; ≤ 100 мкс) с низким джиттером связи (для целей точной синхронизации ; ≤ 1 мкс) и снижением затрат на оборудование. Типичными областями применения EtherCAT являются системы управления оборудованием (например, полупроводниковые инструменты, обработка металлов давлением, упаковка, литье под давлением, системы сборки, печатные машины, робототехника). Горки с дистанционным управлением , используемые в железнодорожной отрасли.
Альтернативными технологиями для сетевых технологий в промышленной среде являются EtherNet/IP , Profinet и Profibus . [1]
При использовании EtherCAT стандартный пакет или кадр Ethernet (согласно IEEE 802.3 ) больше не принимается, не интерпретируется и не копируется как данные процесса на каждом узле. Подчиненные устройства EtherCAT считывают адресованные им данные, пока телеграмма проходит через устройство, обрабатывая данные «на лету». Другими словами, данные и сообщения в реальном времени имеют приоритет над более общими, менее чувствительными ко времени или данными с большой нагрузкой.
Аналогично, входные данные вставляются во время прохождения телеграммы. Кадр не получен полностью перед обработкой; вместо этого обработка начинается как можно скорее. Отправка также ведется с минимальной задержкой в небольшое битовое время. Обычно вся сеть может быть адресована всего одним кадром. [2]
Эталонная модель ISO/OSI
Протокол EtherCAT оптимизирован для обработки данных и передается непосредственно в стандартном кадре Ethernet IEEE 802.3 с использованием Ethertype 0x88a4. Он может состоять из нескольких субтелеграмм, каждая из которых обслуживает определенную область памяти образов логических процессов , размер которых может достигать 4 гигабайт . Последовательность данных не зависит от физического порядка узлов в сети; Адресация может быть в любом порядке. Широковещательная , многоадресная рассылка и связь между подчиненными устройствами возможны, но они должны быть инициированы ведущим устройством. Если требуется IP- маршрутизация , протокол EtherCAT можно вставить в дейтаграммы UDP / IP . Это также позволяет любому управлению с помощью стека протоколов Ethernet обращаться к системам EtherCAT.
Короткое время цикла может быть достигнуто, поскольку главные микропроцессоры в подчиненных устройствах не участвуют в обработке пакетов Ethernet для передачи изображений процесса. Вся передача данных процесса осуществляется аппаратным обеспечением подчиненного контроллера. В сочетании с функциональным принципом это делает EtherCAT высокопроизводительной системой распределенного ввода-вывода: обмен данными процесса с 1000 распределенными цифровыми вводами-выводами занимает около 30 мкс, что типично для передачи 125 байт по Ethernet со скоростью 100 Мбит/с. Данные для сервооси 100 и от нее можно обновлять с частотой до 10 кГц. Типичная частота обновления сети составляет 1–30 кГц, но EtherCAT можно использовать и с более медленным временем цикла, если нагрузка DMA слишком высока.
Использование полосы пропускания максимально эффективно, поскольку каждый узел и все данные не требуют отдельного кадра. Таким образом, можно достичь чрезвычайно короткого времени цикла ≤ 100 мкс. Используя полнодуплексные функции 100BASE-TX , можно достичь эффективной скорости передачи данных более 100 Мбит/с (> 90% скорости передачи данных пользователя 2x100 Мбит/с).
Принцип технологии EtherCAT масштабируем и не привязан к скорости 100 Мбит/с. EtherCAT G и 10G — это новые расширения стандарта EtherCAT, использующие скорости 1 Гбит/с и 10 Гбит/с соответственно для значительного увеличения пропускной способности для удовлетворения потребностей IIoT и Индустрии 4.0.
Используя полнодуплексные физические уровни Ethernet, ведомые контроллеры EtherCAT автоматически закрывают открытый порт и возвращают кадр Ethernet, если нисходящее устройство не обнаружено. Подчиненные устройства могут иметь один, два или более портов. Благодаря этим функциям EtherCAT позволяет использовать множество сетевых топологий , включая линию, дерево, кольцо, звезду или любую их комбинацию. Протокол также обеспечивает множество функций связи, таких как резервирование кабеля, горячее подключение сегментов, смена устройств во время работы или даже главное резервирование с помощью горячего резерва.
Таким образом, сочетание вариантов топологии и различных сетевых архитектур, например, подчиненных или соседних систем управления с последовательной синхронизацией, открывает многочисленные возможности. Дополнительные переключатели не требуются. Физика Ethernet допускает длину кабеля до 100 м (300 футов) между двумя узлами, поэтому E-bus ( LVDS ) предназначен только для использования в качестве физического уровня для модульных устройств. Для каждого кабельного пути вариант сигнала можно выбрать индивидуально. Для больших расстояний или полной гальванической развязки между двумя подчиненными устройствами используются оптоволоконные кабели. С помощью одномодового оптоволокна можно преодолеть расстояния до 20 км между двумя узлами. Поскольку в общей сложности к каждому сегменту сети можно подключить 65 535 узлов, расширение сети практически не ограничено.
Для синхронизации применяется механизм распределенной синхронизации, что приводит к очень низкому джиттеру, значительно меньшему 1 мкс, даже если цикл связи колеблется, что эквивалентно стандарту протокола точного времени IEEE 1588 (PTP). Таким образом, EtherCAT не требует специального аппаратного обеспечения на ведущем устройстве и может быть реализован программно на любом стандартном MAC-адресе Ethernet, даже без специального коммуникационного сопроцессора.
Типичный процесс установления распределенных часов инициируется ведущим путем отправки широковещательной рассылки всем подчиненным устройствам по определенному адресу. При получении этого сообщения все ведомые устройства дважды фиксируют значение своих внутренних часов: один раз при получении сообщения и один раз при его возврате (помните, что EtherCAT имеет кольцевую топологию ). Затем ведущий может прочитать все зафиксированные значения и рассчитать задержку для каждого ведомого устройства. Этот процесс можно повторять столько раз, сколько необходимо, чтобы уменьшить джиттер и усреднить значения. Общие задержки рассчитываются для каждого подчиненного устройства в зависимости от его положения в подчиненном кольце и загружаются в регистр смещения. Наконец, ведущий выполняет широковещательную операцию чтения системных часов, что делает первый ведомый устройством опорным тактовым сигналом и заставляет все остальные ведомые устройства соответствующим образом установить свои внутренние часы с уже известным смещением.
Чтобы синхронизировать часы после инициализации, ведущий или ведомый должен регулярно снова отправлять широковещательную рассылку, чтобы компенсировать любые эффекты разницы в скорости между внутренними часами каждого ведомого устройства. Каждый подчиненный должен регулировать скорость своих внутренних часов или использовать внутренний механизм коррекции всякий раз, когда ему необходимо выполнить настройку.
Системные часы задаются как 64-битный счетчик с базовой единицей измерения 1 нс, начиная с 1 января 2000 г., 0:00.
Быстрое и точное обнаружение помех — одна из многих диагностических функций EtherCAT.
Битовые ошибки во время передачи надежно обнаруживаются путем анализа контрольной суммы CRC : 32-битный полином CRC имеет минимальное расстояние Хэмминга 4. Помимо протокола обнаружения и локализации ошибок, физика передачи и топология системы EtherCAT позволяют осуществлять индивидуальный контроль качества. каждого пути передачи. Автоматизированный анализ соответствующих счетчиков ошибок позволяет точно локализовать критические сегменты сети.
Более подробную информацию можно найти в главе «Мониторинг».
Профили устройств описывают параметры приложения и функциональное поведение устройств, включая конечные автоматы для конкретных устройств. Для существующих профилей устройств предусмотрены следующие программные интерфейсы. Таким образом, переход на EtherCAT путем настройки прошивки и оборудования существенно упрощается.
Устройства CANopen и профили приложений доступны для широкого выбора категорий устройств и приложений: модули ввода-вывода, приводы (например, профиль привода CiA 402, стандартизированный как IEC 61800-7-201/301), энкодеры (CiA 406), пропорциональные клапаны. , гидравлические контроллеры (CiA 408) или профили применения. В этом случае EtherCAT заменяет CAN.
Интерфейс SERCOS — это интерфейс связи в реальном времени, идеально подходящий для приложений управления движением. Профиль SERCOS для сервоприводов и коммуникационных технологий стандартизирован в IEC 61800-7. Этот стандарт также содержит сопоставление профиля сервопривода SERCOS с EtherCAT (IEC 61800-7-304).
Любое устройство Ethernet можно подключить к сегменту EtherCAT через порты коммутатора. Кадры Ethernet туннелируются через протокол EtherCAT, как это обычно бывает с интернет-протоколами (например, TCP/IP , VPN , PPPoE (DSL) и т. д.). Сеть EtherCAT полностью прозрачна для устройств Ethernet, и функции EtherCAT в реальном времени не нарушаются.
Параллельно с разработкой EtherCAT был разработан протокол безопасности, независимый от полевой шины. [3] Для EtherCAT доступна опция «Безопасность через EtherCAT» (FSoE = отказоустойчивость через EtherCAT). С помощью FSoE можно реализовать функциональную безопасность с помощью EtherCAT. Протокол, а также его реализация сертифицированы TÜV и соответствуют требованиям уровня полноты безопасности 3 согласно IEC 61508 . С 2010 года безопасность через EtherCAT стандартизирована на международном уровне в соответствии с IEC 61784-3-12. EtherCAT предоставляет одноканальную систему связи для передачи безопасной и небезопасной информации. Транспортная среда рассматривается как черный канал [4] и поэтому не учитывается с точки зрения безопасности.
Этот простой протокол похож на TFTP (простой протокол передачи файлов); он обеспечивает доступ к файлам на устройстве и единообразную загрузку встроенного ПО на устройства по сети EtherCAT. Протокол был намеренно определен в упрощенном виде, чтобы его можно было поддерживать программами-загрузчиками. Стек TCP/IP не требуется.
Поскольку EtherCAT использует стандартные кадры Ethernet в соответствии со стандартом IEEE 802.3, для мониторинга связи EtherCAT можно использовать любой стандартный инструмент Ethernet. Кроме того, существует бесплатное программное обеспечение для анализатора Wireshark (ранее Ethereal, инструмент мониторинга с открытым исходным кодом) и сетевого монитора Microsoft , с помощью которого можно удобно подготовить и отобразить записанный трафик данных EtherCAT.
Используя шлюзы, существующие сети, такие как CANopen , DeviceNet или Profibus , можно легко интегрировать в среду EtherCAT. Кроме того, шлюзы обеспечивают возможность беспрепятственного перехода от традиционной полевой шины к EtherCAT, что снижает дальнейшие инвестиционные затраты.
Благодаря производительности EtherCAT связь с внешними ведущими устройствами полевой шины осуществляется так же быстро, как и с традиционными картами, подключенными через PCI или другие магистральные шины. Поскольку децентрализованные интерфейсы полевой шины приводят к более коротким расширениям, они могут работать с еще более высокими скоростями передачи данных, чем это было бы возможно при традиционной архитектуре.
EtherCAT Technology Group (ETG) поощряет и ожидает, что компании, разрабатывающие продукты EtherCAT, присоединятся к ETG, чтобы они могли получить EtherCAT Vendor-ID, получить доступ к полной документации, форуму разработчиков и коду подчиненного стека, который предоставляет Beckhoff. бесплатно для членов ETG.
Мастера могут быть реализованы как программное решение на любом MAC-адресе Ethernet. Разные производители предоставляют код для разных операционных систем, включая несколько проектов с открытым исходным кодом. Благодаря перемещению отображения на ведомом оборудовании снижаются требования к производительности ЦП ведущего устройства. Мастер уже содержит данные в виде легко сортируемого образа процесса.
Для работы в сети ведущему устройству EtherCAT требуется циклическая структура данных процесса, а также команды загрузки для каждого ведомого устройства. Эти команды можно экспортировать в файл сетевой информации EtherCAT (ENI) с помощью инструмента конфигурации EtherCAT, который использует файлы информации о ведомом устройстве EtherCAT (ESI) с подключенных устройств. [5]
В отличие от работы стандартного Ethernet, ведомые устройства обрабатывают кадры EtherCAT «на лету». Для этого необходимо использовать аппаратно интегрированные ведомые контроллеры EtherCAT (ESC) в ведомых устройствах. ESC также доступны в виде ASIC или на основе FPGA . С начала 2012 года также доступны стандартные микропроцессоры с подчиненными интерфейсами EtherCAT.
Для простых устройств дополнительный микроконтроллер не требуется. Однако в более сложных устройствах производительность связи EtherCAT практически не зависит от производительности используемого контроллера. Таким образом, требования к микроконтроллеру определяются местным приложением, например, управлением приводом.
Существует выбор плат разработки как от поставщиков ведомых контроллеров EtherCAT, так и от сторонних поставщиков. Существуют также проекты с открытым исходным кодом для плат разработки ведомых устройств EtherCAT, такие как SOES и ArduCAT.
Для контроля и регулирования физических процессов требуется высокая целостность данных, безопасность данных и синхронность. EtherCAT был разработан специально для такого рода приложений и отвечает всем требованиям быстрого управления.
Современные измерительные системы характеризуются многоканальностью, синхронностью и точностью. Благодаря расширенным функциям протокола EtherCAT обеспечивается эффективная синхронная пропускная способность данных. Сетевые функции на базе Ethernet позволяют создать измерительную сеть с распределенными измерительными модулями.
EtherCAT Technology Group (ETG) была основана в 2003 году и представляет собой организацию пользователей промышленного Ethernet, насчитывающую сегодня наибольшее количество членов в мире. [6] [7] В список членов ETG входит широкий круг поставщиков промышленных систем управления, OEM-производителей, машиностроителей и технологических организаций со всего мира. ETG предлагает своим членам поддержку внедрения и обучение, организует тесты на совместимость (часто называемые «Plug Fests» [8] ), а также способствует разработке и распространению технологии при поддержке своих членов и команд, работающих в офисах в Германии, Китае, Япония, Корея и Северная Америка. Конечные пользователи ETG охватывают множество отраслей: производители машин и поставщики мощных технологий управления объединяют усилия для поддержки и продвижения технологии EtherCAT. Разнообразие отраслей гарантирует оптимальную подготовку EtherCAT для самого широкого спектра применений. [9] Системные партнеры дают квалифицированные отзывы о простой интеграции аппаратных и программных модулей во все необходимые классы оборудования. Инструмент проверки соответствия EtherCAT (CTT), [10] разработанный при содействии компаний-членов ETG, обеспечивает совместимость и соответствие протоколов устройств EtherCAT.
Группа технологий EtherCAT (ETG) является официальным партнером рабочих групп IEC ( Международной электротехнической комиссии ) по цифровой связи. Спецификация EtherCAT была опубликована как IEC/PAS 62407 [11] в 2005 году, но была удалена в конце 2007 года, поскольку EtherCAT был интегрирован в международные стандарты полевой шины IEC 61158 [ 12] [13] и IEC 61784-2 [14]. как в стандарте профиля привода IEC 61800-7. [15] Эти стандарты МЭК были единогласно одобрены в сентябре и октябре 2007 года и позднее в том же году были опубликованы как IS (международные стандарты). В стандарте IEC 61800-7 EtherCAT представляет собой стандартизированную технологию связи для профилей приводов SERCOS и CANopen (также известную как CiA 402). EtherCAT также является частью ISO 15745-4, [16] стандарта описания устройств в формате XML . Кроме того, SEMI добавила EtherCAT в свой портфель стандартов (E54.20) [17] и одобрила технологию для использования в оборудовании для производства полупроводников и плоских дисплеев. В апреле 2010 года была принята редакция 2 стандарта IEC 61784-3 [18] , которая содержит протокол безопасности через EtherCAT. В сентябре 2008 года профиль установки EtherCAT был представлен в соответствии со стандартом IEC 61784-5. [19]